【正文】 電路，才能有較高的接收靈敏度。但離開(kāi)超聲波傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。下圖25就是超聲波傳感器的指向圖。超聲波傳感器的指向角一般為40度～80度。選頻放大器輸出的信號(hào)又經(jīng)檢波器解調(diào)，檢出渦街信號(hào)。圖26超聲波風(fēng)速測(cè)量電路由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分分為單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路，報(bào)警電路，超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測(cè)接收電路和復(fù)位電路。 超聲波測(cè)距時(shí)工作過(guò)程如下：（1） 由LM555定時(shí)器發(fā)出140KHz脈沖串。（3） 超聲波換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。（5） 送入單片機(jī)T0計(jì)數(shù)口，檢測(cè)單位時(shí)間1s內(nèi)的脈沖數(shù)。第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)及報(bào)警電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)AT89S52的結(jié)構(gòu)如圖 31 是本設(shè)計(jì)選用的主控芯片AT89S52單片機(jī)的外部引腳結(jié)構(gòu)圖。圖32 AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖下面簡(jiǎn)要介紹其主要性能。功能特性描述： AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 在圖32中，對(duì)各個(gè)引腳及外部接口做以下說(shuō)明：VCC : 電源GND: 地P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。此外，（）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（），具體如表 31 所示。表 31 P1口的第二功能引腳號(hào)第二功能T2 (定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入)，時(shí)鐘輸出T2EX (定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制)MOSI (在系統(tǒng)編程用)MISO (在系統(tǒng)編程用)SCK (在系統(tǒng)編程用) P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表 32 所示。表 32 P3口的第二功能引腳號(hào) 第二功能RXD (串行輸入)TXD (串行輸出) (外部中斷0) (外部中斷1)T0 (定時(shí)器0外部輸入)T1 (定時(shí)器1外部輸入) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) (外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器度選通) RST: 復(fù)位輸入?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96 個(gè)晶振周期的高電平。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。在flash編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。這一位置 “1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時(shí)有效。這個(gè)ALE 使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。當(dāng)AT89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。 單片機(jī)系統(tǒng)及復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖33，是本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)系統(tǒng)及復(fù)位電路。具體能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括運(yùn)行程序和對(duì)單片機(jī)的復(fù)位。這里選用的是Atmel公司的AT89S52單片機(jī)。2. 提供單片機(jī)工作時(shí)鐘的晶振Y1。這里是在VCC與RESET引腳之間接入一個(gè)按鍵S1，按鍵按下是RESET置高，單片機(jī)復(fù)位。這部分電路的作用是在特定情況下，使蜂鳴器發(fā)出鳴聲。也可通過(guò)不同程序，用于測(cè)量結(jié)果符合一定條件時(shí)發(fā)出報(bào)警，如液位過(guò)高、過(guò)低，井深在某個(gè)范圍，等等。2. 三極管Q5 。3. 跳線JUMPER。 顯示電路設(shè)計(jì)如圖35，是本設(shè)計(jì)采用的顯示電路。圖35如圖所示，這部分電路主要包括：1. 數(shù)碼管U2。2. 三極管Q1~Q4。單片機(jī)的P2 ~ 用于選通數(shù)碼管的各位，P0 口用于數(shù)碼管各位的段選通。需要選通某一位時(shí)使單片機(jī)相應(yīng)引腳置高位，相應(yīng)的三極管被導(dǎo)通，則相應(yīng)位被選通。 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖36，是本設(shè)計(jì)采用的超聲波發(fā)射電路。圖36如圖所示，這部分電路主要包括： 1. LM555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生145KHZ的超聲波。3. 脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)NPN型9013三極管放大后激勵(lì)超聲波發(fā)射器F 。 LM555定時(shí)器由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖37所示，其中RR2和電容C為外接元件。 圖37 圖38設(shè)電容的初始電壓＝0，t＝0時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTH＝VTL＝0Vcc，比較器Ａ1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置１，定時(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容Ｃ充電，逐漸升高。所以0t期間，定時(shí)器輸出為高電平１。期間，放電三極管Ｔ導(dǎo)通，電容Ｃ通過(guò)放電。 時(shí)刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，RS觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時(shí)器輸出。 通過(guò)上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。充電時(shí)間 (31)放電時(shí)間 (32)矩形波的振蕩周期 (33)振蕩頻率 (34)本文設(shè)計(jì) 74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如圖39是74LS123管腳圖圖39引出端符號(hào)：CEXT1，CEXT2 外接電容端Q1，Q2 正脈沖輸出端 負(fù)脈沖輸出端A1，A2 負(fù)觸發(fā)輸入端B1，B2 正觸發(fā)輸入端 直接清除端（低電平有效）如圖310是74LS123功能表：圖310即當(dāng)555定時(shí)器產(chǎn)生的方波信號(hào)的下降沿到來(lái)1（A）管腳時(shí)，此時(shí)2（B）,3（）管腳均為高電平，于是在13管（Q）腳產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。(NPN9013型) 2. 求電壓增益： (35)本設(shè)計(jì)中采用參數(shù)Rb（R4）=510K Ohm，RL（R5）=RC（R6）=5K Ohm C2（C4）=4 uF求得 超聲波發(fā)射換能器TCT4012T壓電陶瓷超聲波傳感器TCT4012T主要性能如下：1) 標(biāo)稱頻率（KHz）：145KHz2) 發(fā)射聲壓at10V（0dB=）：≥112dB3) 接收靈敏度at 145KHz (0dB=V/ubar)：≥70dB4) 靜電容量at1KHz,1V (PF)：2000177。如圖所示，這部分電路主要包括： 1. 超聲波接收器R 。2. 由R7，R8，R9，C5，C6，LM324組成的多路反饋無(wú)限增益電路，屬于帶通濾波器，有源濾波電路只允許某中心頻率附近的信號(hào)通過(guò)，本設(shè)計(jì)中f為145KHz附近，從而濾去其他頻率的干擾。4. LM324，C8，R11組成積分運(yùn)算器。6. R13，R14，R15，C10組成電壓比較器，為施密特接法，帶有上拉電阻R15。檢測(cè)的信號(hào)傳送到單片機(jī)T1計(jì)數(shù)器端口，檢測(cè)單位時(shí)間（T0定時(shí)）內(nèi)方波信號(hào)的頻率即可得出卡曼渦街模型內(nèi)介質(zhì)的流量速度。(3) 中心頻率： (38)本設(shè)計(jì)中中心頻率約為145KHz，選用常用電阻值R7（R2）=R8（R3）=10K ohm，C1=C2=，求得R9（R1）= ohm 包絡(luò)檢波，OPA積分器，RC高通濾波如圖315為包絡(luò)檢波工作原理：圖315設(shè)vs為已調(diào)信號(hào),vo為包絡(luò)檢波信號(hào)(φ90o) 二極管導(dǎo)通，對(duì)C充電，τ充=RDC∵RD很小∴τ充很小，vo≈vs(φ90o) 二極管截止，C經(jīng)R放電，τ放=RC∵R很大∴τ放很大，C上電壓下降不多，仍有：vo≈vs過(guò)程循環(huán)往復(fù)，C上獲得與包絡(luò)(調(diào)制信號(hào))相一致的電壓波形，有很小的起伏。其傳奇函數(shù)為 (310)式中，用代替s可得 (311)既得頻率響應(yīng)。比較器在信號(hào)變換、檢測(cè)和波形產(chǎn)生電路中有廣泛應(yīng)用。由于比較器輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，因此，用作比較器的運(yùn)放將工作在開(kāi)環(huán)或正反饋的非線性狀態(tài)。即，如圖319所示：Vout=Vcc VinVREFVout=0 VinVREF圖319電壓比較器的基本特性:1. 輸出 高電平(UoH)和低電平(UoL)，用運(yùn)放構(gòu)成的比較器，其輸出的高電平UoH和低電平UoL可分別接近于正電源電壓(UCC)和負(fù)電源電壓(UCC)。3. 轉(zhuǎn)換速度，作為比較器的另一個(gè)重要特性就是轉(zhuǎn)換速度，即比較器輸出狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。為此可對(duì)比較器施加正反饋，以提高轉(zhuǎn)換速度。如圖320圖3202. 消除信號(hào)中的干擾信號(hào)，消除鋸齒。在各類出版物中可以經(jīng)常看到運(yùn)算放大器的理論，關(guān)于運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)和使用方法的圖書也非常多，可是我們卻很難找到關(guān)于比較器的理論研究，究其原因，比較器本身功能十分簡(jiǎn)單，只用于比較電壓，然后根據(jù)比較結(jié)果，把輸出電壓設(shè)定在數(shù)位低態(tài)或高態(tài)。該電路的特點(diǎn)如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源177。18V；消耗電流小， ICC=；輸入失調(diào)電壓小， VIO=177。 鍵盤的分類: 鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。非編碼鍵盤有分為：獨(dú)立鍵盤和行列式（又稱為矩陣式）鍵盤。 鍵的閉合與否, 反映在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平, 所以通過(guò)電平的高低狀態(tài)的檢測(cè), 便可確認(rèn)按鍵按下與否。 。機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵是利用彈性使鍵復(fù)位, 手感明顯, 連線清晰, 工藝簡(jiǎn)單, 適合單件制造。導(dǎo)電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來(lái)復(fù)位, 通過(guò)壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊, 體積小, 裝配方便, 適合批量生產(chǎn)。柔性按鍵是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型按鍵, 可以分為凸型和平面型兩種。 平面型幅度微小, 觸感較弱, 但工藝簡(jiǎn)單, 壽命長(zhǎng)。而且外形和面板的布局、色彩、鍵距可按照整機(jī)的要求來(lái)設(shè)計(jì)。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口線的占用通常將按鍵排列成矩陣式。例如2x2的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成4個(gè)鍵的鍵盤，4x4的行列結(jié)構(gòu)可構(gòu)成16個(gè)鍵的鍵盤。當(dāng)按鍵數(shù)目較少、I/O口不是很緊張的情況下可以采用獨(dú)立式接法。未按下前各端口為高電平，按下某個(gè)鍵時(shí)被拉低為低電平，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)高低電平來(lái)判斷哪個(gè)鍵按下。單片機(jī)AT89S52每秒對(duì)T1計(jì)數(shù)端口計(jì)數(shù)，運(yùn)算得風(fēng)速（m/s）。 基本計(jì)算公式為： （41）f——旋渦頻率，Hz ；v——?dú)饬魉俣龋琺／s ；d——旋渦發(fā)生體直徑，mm；St——斯特拉哈爾系數(shù)(雷諾數(shù)在200～50 000范圍內(nèi)，St為常數(shù))。 具體程序如下：YUNSUAN1 EQU 7AH YUNSUAN2 EQU 7BH JS1 EQU 7EH JS2 EQU 7FH ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP T0 ORG 0040H。初始化。設(shè)定顯示初值 MOV 71H,00H MOV 72H,00H MOV 73H,00H MOV TMOD,01H 。設(shè)定時(shí)間常數(shù)，約70ms延時(shí) MOV TL0,00H JMP MAIN。主程序。開(kāi)定時(shí)中斷1，并開(kāi)始計(jì)數(shù) SETB ET0 SETB EX0 。開(kāi)CPU中斷LOOP: LCALL DISPLAY JMP LOOP主程序流程圖如下：圖41 超聲波接收子程序 利用單片機(jī)的T0、T1兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)用來(lái)定時(shí)，另一個(gè)用來(lái)計(jì)數(shù)，兩者均應(yīng)該工作在中斷方式，一個(gè)中斷用于1s時(shí)間的中斷處理，一個(gè)中斷用于對(duì)頻率脈沖的計(jì)數(shù)溢出處理。程序的主體可以分為4個(gè)模塊：定時(shí)計(jì)數(shù)、采集數(shù)據(jù)、進(jìn)制轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示。設(shè)計(jì)中T1采用計(jì)數(shù)功能，需要注意的一個(gè)問(wèn)題是，輸入的待測(cè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率最高可以達(dá)到460800Hz，但計(jì)數(shù)器最多只能計(jì)數(shù)65536次，顯然需要對(duì)計(jì)數(shù)單元進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的思路是除了計(jì)數(shù)器T1的TH1和TL1用于計(jì)數(shù)外，再選用一個(gè)計(jì)數(shù)單元23H，每當(dāng)計(jì)數(shù)器T1溢出回零時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷程序執(zhí)行23H單元自增1，這樣，當(dāng)一秒到時(shí)時(shí)采集的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，23H單元存放的